在多发地区使用防爆墙板,其设计必须超越常规的抗爆要求,额外纳入抗震性能的考量,实现“抗爆”与“抗震”双重目标的协调统一。这需要着重考虑以下几个方面的设计要求:
1. 材料与构造的轻量化与延性化:
* 减轻自重: 力与结构质量直接相关。传统的厚重钢筋混凝土防爆墙虽然抗爆性能好,但巨大的质量在中会产生巨大的惯性力,对基础和主体结构造成严重负担。因此,优先考虑轻质高强材料(如纤维增强复合材料、特种合金钢、轻质混凝土等)或采用中空/夹芯构造的墙板,在满足抗爆等级的前提下显著降低自重,从而减小作用力。
* 提高延性与耗能能力: 抗震结构需要具备吸收和耗散能量的能力(延性)。脆性材料(如普通素混凝土)在中易发生突然断裂。设计需增强墙板的延性,例如:
* 在混凝土墙板中配置高延性钢筋(如高强抗震钢筋),并确保配筋率、配筋形式和锚固满足抗震构造要求。
* 采用复合材料构造,利用纤维的韧性来提高整体延性。
* 设计可更换的耗能元件(如金属阻尼器、摩擦阻尼器)集成到墙板或其连接节点中,作为耗散能量的“保险丝”。
2. 连接节点的关键设计:
* 双重功能协调: 连接节点是防爆墙与主体结构之间的“桥梁”,也是抗震设计的重中之重。节点设计必须同时满足:
* 抗爆要求: 冲击下,节点需提供强大的抗拉、抗剪、抗弯能力,确保墙板稳固不脱落,有效传递冲击力。
* 抗震要求: 作用下,节点需具备足够的变形能力(延性) 以跟随主体结构的变形而不脆性破坏;同时具备耗能潜力。刚性连接在强震下可能导致应力集中破坏。
* 解决方案:
* 柔性/滑移节点: 设计允许在预定方向和范围内发生可控滑移或转动的连接装置(如长圆孔螺栓连接、带碟形弹簧或橡胶垫的组件、特定的铰接构造)。这些节点在瞬间能“”或承受冲击力,而在强震时允许墙板相对于主体结构发生有限位移,避免硬碰硬。
* 阻尼器集成: 在节点处集成屈曲约束支撑、摩擦阻尼器或粘滞阻尼器。平时提供刚度,时承受冲击,时则主要发挥耗能作用。
* 冗余与延性设计: 节点本身采用延性材料(如低碳钢),设计多道传力路径和冗余度,确保即使部分连接失效,整体仍不脱落。
3. 结构整体性与相互作用:
* 与主体结构协同: 防爆墙板不应被视为孤立的构件。其刚度、质量和连接方式会显著影响主体结构的动力特性(周期、振型)和内力分布。设计时必须进行整体结构建模分析,考虑防爆墙板对主体结构抗震性能(如层间位移角、扭转效应)的影响,并进行必要的调整。
* 避免刚度突变: 刚度过大的防爆墙板(尤其是局部设置时)可能导致结构平面或竖向刚度突变,形成作用下的薄弱环节。需要评估并采取措施(如调整墙板位置、刚度或设置结构缝)来保证刚度的均匀过渡。
* 边界条件处理: 墙板与楼板、梁、柱等主体构件的连接边界必须清晰定义,并在模型中准确模拟其约束条件(固接、铰接、滑移等),确保分析结果可靠。
4. 动力分析与荷载组合:
* 动分析: 必须进行动力时程分析或反应谱分析,使用符合场地条件的动参数,评估防爆墙板及其连接节点在作用下的内力、变形和稳定性。
* 多灾害荷载组合: 考虑不利的荷载组合工况。虽然同时发生设计和设计的概率低,但需评估如“小震+”或“后余震”等可能发生的组合工况对墙板及其节点的影响。特别要关注可能造成的局部损伤对后续抗震性能的削弱作用。
5. 细部构造与施工质量:
* 构造措施: 遵循抗震设计规范的构造要求,如足够的混凝土保护层厚度、钢筋的弯钩锚固、避免应力集中的构造细节、预埋件的可靠锚固等。
* 施工精度与质量控制: 连接节点的施工精度(如预埋件位置、孔位、焊接质量)对实现设计意图至关重要。必须制定严格的施工工艺要求和质量控制标准。
总结:
在区设计防爆墙板,挑战在于平衡抗爆所需的“强度与刚度”与抗震所需的“轻量、延性与耗能”。关键在于选择轻质高强延性材料、精心设计具备双重功能的柔性/耗能连接节点、进行整体结构动力分析考虑相互作用、评估多灾害组合工况,并确保高质量的细部构造和施工。这需要结构工程师、防护工程师和材料工程师的紧密协作,采用的分析方法和创新的构造方案,才能实现真正的多灾害防护。